Avtoargon.ru

АвтоАргон
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

В чём разница между коллекторными и бесколлекторными двигателями

В чём разница между коллекторными и бесколлекторными двигателями

Многие из тех, кто когда-то имел возможность работать с дрелью или болгаркой, хотя бы раз, но задавались вопросами: «Почему искрят щетки двигателя дрели, и почему такого не происходит в других двигателях, например установленных в станках, предназначенных для сверления?». Ответ на эти вопросы один – в разном оборудовании задействованы разные типы двигателей, а именно коллекторные и бесколлекторные. В чем же разница?

Коллекторный двигатель

Коллекторный двигатель – это двигатель, оснащенный щетками, или же щеточно-коллекторным узлом, который и отвечает за приведение в движение данного механизма. Иными словами, коллектор – это совокупность нескольких контактов. Коллекторный двигатель достаточно прост в управлении, а источником питания для него может быть как батарея, так и аккумулятор.

Преимущества коллекторного двигателя заключаются в следующих качествах:

  • он имеет сравнительно небольшой вес и компактный размер,
  • его стоимость значительно ниже стоимости бесколлекторного двигателя,
  • коллекторный двигатель пригоден к ремонту.

Но наряду с преимуществами, данный вид двигателя имеет и недостатки:

  • коэффициент полезного действия коллекторного двигателя не превышает 50-60%,
  • слишком быстрый износ двигателя за счет высокой скорости трения его щеток.

Скорость работы коллекторного двигателя одновременно является и преимуществом данного типа механизма, и его недостатком. С одной стороны, она позволяет проводить работу на высоких оборотах, но с другой – становится причиной перегрева мотора и дальнейшего выхода его из строя.

Бесколлекторный двигатель

Бесколлекторный двигатель, в отличие от коллекторного типа, не имеет щеточно-коллекторного узла. Вместо него в нем располагается ротор с магнитами и статор. Такой конструктив двигателя также обладает своими преимуществами и недостатками. Преимущества бесколлекторого двигателя заключаются в следующих качествах:

  • довольно высокий коэффициент полезного действия (порядка 90%),
  • конструктив данного типа двигателя защищает его от внешних воздействий окружающей среды (пыли, грязи и влаги),
  • бесколлекторный двигатель имеет повышенную скорость работы, но наряду с этим гораздо более устойчив к износу, чем коллекторный тип двигателя.

В свою очередь недостатки бесколлекторого двигателя прямо противоположны преимуществам коллекторного двигателя, а именно такой тип двигателя требует существенных финансовых затрат, а также он довольно сложен в ремонте.

Какой тип двигателя выбрать?

Каждый тип двигателя имеет право на существование. Ведь для работы одного типа станка или прибора подойдет только коллекторный двигатель, а для работы другого – бесколлекторный. Вдобавок, не последнее место в выборе типа двигателя играет и мнение самого покупателя. Ведь механизм должен отвечать требованиям не только прибора, для которого он приобретается, но и требованиям его будущего владельца.

В чем разница между коллекторным и бесколлекторным двигателем?

Покупка электромодели на радиоуправлении начинается с выбора электродвигателя. Перед покупателем стоит непростая задача, какому агрегату отдать свое предпочтение с коллекторным или бесколлекторным двигателем? Принять мудрое решение позволит детальное изучение каждого вида электродвигателя. Между ними есть удивительные сходства и потрясающие различия.

Коллекторный двигатель

Коллекторным двигателем называют электромашину, состоящею из нескольких важных деталей. Основным элементом считается коллектор – барабан медного цвета. Имеется подвижная (ротор) и неподвижная часть (статор), обмотка якоря, специальная щетка, вентилятор, сердечник и обмотка полюса.

Также наблюдаются 2 исходящих питающих провода (положительный и отрицательный). Принцип работы устройства базируется на качественном преобразовании электрической энергии в механическую. Вначале происходит создание электромагнитного поля в пределах якорных обмоток.

Образованное в якоре поле начинает взаимодействовать с полюсами статора, что приводит к движению якоря. Постепенно образовавшийся ток через щетки и коллектор попадает на следующую обмотку. Движение тока заставляет одновременно вращаться вал и якорь. Радиоуправляемые модели с подобными агрегатами работают от постоянного тока.

Коллекторные двигатели делятся на несколько видов. Классификация приборов зависит от типа их питания. Специалисты выделяют универсальные и постоянные КД.

Универсальные агрегаты способны функционировать от переменного и постоянного источника электропитания. Простые в использовании и компактные по размеру электромашины востребованы благодаря своей стоимости.

Второй вид коллекторного двигателя знаменит высоким пусковым моментом. Простая конструкция с плавным управлением частоты вращения. Функционирование агрегата осуществляется на постоянных магнитах или при помощи специальных катушек возбуждения.

Преимуществами таких двигателей считают габариты и вес конструкции. К достоинствам относят и стоимость агрегата.

Обсуждаемый КД встречается в разных бытовых электроприборах, таких как стиральная машина, пылесосы, детские игрушки, а также силовые установки.

И все же некоторые производители отдают предпочтение бесколлекторным устройствам.

Особенности бесколлекторного прибора

Бесколлекторный двигатель — популярный вид электромашины. Высокооборотный агрегат славится точным позиционированием. Конструкция состоит из якоря и статора. В роторе присутствует один или несколько постоянных магнитов. Статоры оснащены специальными катушками. Цель их существования – создание магнитного поля. Принцип работы двигателя зыблется на следующих условиях.

Читать еще:  Будет ли бензиновый двигатель работать на спирте

Для вращения двигателя требуется специальный регулятор. Так называемый контролер преобразовывает постоянный ток в переменный. Вначале на обмотке статора образовывается магнитная среда. Затем поданное трехфазное напряжение заставляет двигаться заданную систему. Взаимодействуя со статорами, ротор постепенно начинает вращаться.

Главными преимуществами бесколлекторного агрегата является:

  1. Высокая мощность электрического устройства.
  2. Высокая скорость движения. Некоторые наземные модели прибора могут функционировать со скоростью до 350 км/ч.
  3. Бесколлекторная электромашина не нуждается в дополнительном охлаждении.
  4. Высокий уровень износостойкости увеличивает срок эксплуатации БД.
  5. Простой в использовании прибор обладает высоким КПД (коэффициентом полезного действия).
  6. Имеет высокую степень влагозащиты. Не подвержен влиянию вязкой грязи и пыли.
  7. В процессе работы не производит искр. Такое преимущество позволяет использовать агрегат в пожароопасных условиях.

К недостаткам двигателя следует отнести сложности в ремонтировании прибора, высокую стоимость конструкции, а также вес привода.

Надежный и практичный электродвигатель на протяжении долгих лет активно используется в авиационной, судостроительной и автомобильной отрасли. Успешно применяется в качестве силовой установки дрона. Наблюдается в системе охлаждения. Бесколлекторные двигатели устойчивы к перегрузкам, поэтому подходят для медицинского оборудования.

Сравнение электродвигателей и нюансы использования

Между обсуждаемыми двигателями наблюдается несколько явных схожестей. В обоих агрегатах присутствуют специальные провода, подвижная (ротор) и неподвижная часть (статор). В коллекторных и бесколлекторных приборах работа системы начинается с образования магнитного поля. У каждого из этих устройств есть свои сильные и слабые стороны и определенная сфера использования.

И все-таки электродвигатели отличаются друг от друга. Разница касается внешних и внутренних характеристик устройств, а также затрагивает их возможности. Главное отличие кроется в наличии и отсутствии коллектора. Приборы с медным барабаном весят меньше, нежели бесколлекторные двигатели. У электромашины первой категории в арсенале два провода, у второй конструкции в запасе имеется третий. Первый вариант двигателя стоит дешевле, нежели бесколлекторный агрегат. Мощная и высокоскоростная бесколлекторная электромашина участвует в развитии авиационной и даже медицинской области, тогда как коллекторные изделия в основном используют для бытовых приборов.

Установка и применение двигателей зависит от цели его использования. Недорогие коллекторные агрегаты востребованы при создании некоторых детских игрушек, стиральных машин, пылесосов и прочих электрических устройств. Бесколлекторыне чаще встречаются в медицинском оборудовании, в системах охлаждения, самолетах, кораблях и автомобилях. Сфера применения также определяется устойчивостью двигателя к перегрузкам и способом его работы.

Создание и тестирование бесколлекторного мотора

В этой статье мы хотели бы рассказать о том, как мы с нуля создали электрический мотор: от появления идеи и первого прототипа до полноценного мотора, прошедшего все испытания. Если данная статья покажется вам интересной, мы отдельно, более подробно, расскажем о наиболее заинтересовавших вас этапах нашей работы.


На картинке слева направо: ротор, статор, частичная сборка мотора, мотор в сборе

Вступление

Электрические моторы появились более 150 лет назад, однако за это время их конструкция не претерпела особых изменений: вращающийся ротор, медные обмотки статора, подшипники. С годами происходило лишь снижение веса электромоторов, увеличение КПД, а также точности управления скоростью.

Сегодня, благодаря развитию современной электроники и появлению мощных магнитов на основе редкоземельных металлов, удаётся создавать как никогда мощные и в то же время компактные и легкие “Бесколлекторные” электромоторы. При этом, благодаря простоте своей конструкции они являются наиболее надежными среди когда-либо созданных электродвигателей. Про создание такого мотора и пойдет речь в данной статье.

Описание мотора

В “Бесколлекторных моторах” отсутствует знакомый всем по разборке электроинструмента элемент “Щетки”, роль которых заключается в передаче тока на обмотку вращающегося ротора. В бесколлекторных двигателях ток подается на обмотки не-двигающегося статора, который, создавая магнитное поле поочередно на отдельных своих полюсах, раскручивает ротор, на котором закреплены магниты.

Первый такой мотор был напечатан нами 3D принтере как эксперимент. Вместо специальных пластин из электротехнической стали, для корпуса ротора и сердечника статора, на который наматывалась медная катушка, мы использовали обычный пластик. На роторе были закреплены неодимовые магниты прямоугольного сечения. Естественно такой мотор был не способен выдать максимальную мощность. Однако этого хватило, что бы мотор раскрутился до 20к rpm, после чего пластик не выдержал и ротор мотора разорвало, а магниты раскидало вокруг. Данный эксперимент сподвиг нас на создание полноценного мотора.

Узнав мнение любителей радиоуправляемых моделей, в качестве задачи, мы выбрали мотор для гоночных машинок типоразмера “540”, как наиболее востребованного. Данный мотор имеет габариты 54мм в длину и 36мм в диаметре.

Ротор нового мотора мы сделали из единого неодимового магнита в форме цилиндра. Магнит эпоксидкой приклеили на вал выточенный из инструментальной стали на опытном производстве.

Читать еще:  Щелчки при запуске двигателя форд фокус

Статор мы вырезали лазером из набора пластин трансформаторной стали толщиной 0.5мм. Каждая пластина затем была тщательно покрыта лаком и затем из примерно 50 пластин склеивался готовый статор. Лаком пластины покрывались чтобы избежать замыкания между ними и исключить потери энергии на токах Фуко, которые могли бы возникнуть в статоре.

Корпус мотора был выполнен из двух алюминиевых частей в форме контейнера. Статор плотно входит в алюминиевый корпус и хорошо прилегает к стенкам. Такая конструкция обеспечивает хорошее охлаждение мотора.

Измерение характеристик

Для достижения максимальных характеристик своих разработок, необходимо проводить адекватную оценку и точное измерение характеристик. Для этого нами был спроектирован и собран специальный диностенд.

Основным элементом стенда является тяжёлый груз в виде шайбы. Во время измерений, мотор раскручивает данный груз и по угловой скорости и ускорению рассчитываются выходная мощность и момент мотора.

Для измерения скорости вращения груза используется пара магнитов на валу и магнитный цифровой датчик A3144 на основе эффекта холла. Конечно, можно было бы измерять обороты по импульсам непосредственно с обмоток мотора, поскольку данный мотор является синхронным. Однако вариант с датчиком является более надёжным и он будет работать даже на очень малых оборотах, на которых импульсы будут нечитаемы.

Кроме оборотов наш стенд способен измерять ещё несколько важных параметров:

  • ток питания (до 30А) с помощью датчика тока на основе эффекта холла ACS712;
  • напряжение питания. Измеряется непосредственно через АЦП микроконтроллера, через делитель напряжения;
  • температуру внутри/снаружи мотора. Температура измеряется посредством полупроводникового термосопротивления;

Для сбора всех параметров с датчиков и передачи их на компьютер используется микроконтроллер серии AVR mega на плате Arduino nano. Общение микроконтроллера с компьютером осуществляется посредством COM порта. Для обработки показаний была написана специальная программа записывающая, усредняющая и демонстрирующая результаты измерений.

В результате наш стенд способен измерять в произвольный момент времени следующие характеристики мотора:

  • потребляемый ток;
  • потребляемое напряжение;
  • потребляемая мощность;
  • выходная мощность;
  • обороты вала;
  • момент на валу;
  • КПД;
  • мощность уходящая в тепло;
  • температура внутри мотора.

Видео демонстрирующее работу стенда:

Результаты тестирования

Для проверки работоспособности стенда мы сначала испытали его на обычном коллекторном моторе R540-6022. Параметров для этого мотора известно достаточно мало, однако этого хватило, чтобы оценить результаты измерения, которые получились достаточно близкими к заводским.

Затем уже был испытан наш мотор. Естественно он смог показать лучшее КПД(65% против 45%) и при этом больший момент(1200 против 250 г на см), чем обычный мотор. Измерение температуры тоже дало достаточно хорошие результаты, во время тестирования мотор не нагревался выше 80 градусов.

Но на данный момент измерения пока не окончательны. Нам не удалось измерить мотор в полном диапазоне оборотов из-за ограничения мощности источника питания. Также предстоит сравнить наш мотор с аналогичными моторами конкурентов и испытать его “в бою”, поставив на гоночную радиоуправляемую машину и выступить на соревнованиях.

Что такое бесщеточные шуруповерты? Их плюсы и минусы

Содержание

Содержание

Все чаще на электроинструменте можно встретить надпись «Brushless motor». Это значит, что девайс оснащен бесщеточным электродвигателем постоянного тока. Действительно ли от этого есть толк или это очередная уловка маркетологов? Давайте разбираться на примере шуруповертов.

Мы будем говорить о шуруповертах как о наиболее востребованном электроинструменте в арсенале домашнего мастера (кто крутил саморезы отверткой, тот поймет). Но тезисы материала безоговорочно распространяются на весь электроинструмент, оснащенный бесщеточными двигателями.

Конструкция и принцип действия

«Brushless motor» в буквальном переводе означает бесщеточный двигатель, в конструкции которого отсутствует коллектор и щеточный узел. Также можно встретить сокращение BLDC, которым именуют бесщеточный электродвигатель постоянного тока.

Классический коллекторный двигатель

Щеточный узел — это механическая контактная часть якоря электродвигателя. С помощью него через пластины коллектора подается напряжение на обмотку якоря. Электрический ток, протекая по проводнику, вызывает электромагнитное поле. Магнитное поле обмотки якоря, взаимодействуя с постоянным магнитным полем статорных обмоток, приводит к возникновению крутящего момента на валу электродвигателя и его вращению. Чтобы вращение вала сохранялось постоянно, напряжение на отдельные проводники якорной обмотки нужно подавать в определенной последовательности. Электрический ток должен протекать по рамкам якорной обмотки в нужный момент, а электромагнитное поле, наводимое в проводниках, взаимодействовало с постоянным магнитным полем обмоток статора. В двигателе постоянного тока эту функцию выполняет коллекторный узел на якоре электродвигателя.

В бесщеточном электродвигателе коллектор и щетки отсутствуют, но принцип взаимодействия постоянного магнитного поля якоря с электромагнитным полем обмоток статора остается неизменным. Только в BLDC моторе нужно подавать постоянное напряжение на обмотки статора в определенные интервалы времени, имитируя работу коллектора.

Читать еще:  Что происходит с двигателем при обогащенной смеси

Как правило, в конструкции статора бесщеточного мотора используются три пары обмоток, и напряжение на них подается поочередно. При подаче напряжения на первую пару обмоток якорь с постоянными магнитами поворачивается, выравнивая свое положение в соответствии с направлением силовых линий возникшего магнитного поля. В этот момент напряжение с первой пары обмоток снимается и подается на вторую пару. Поскольку якорь электродвигателя обладает определенным моментом инерции, он не останавливается моментально, а продолжает свое вращение, и его магниты начинают взаимодействовать со следующим магнитным полем. Так продолжается до тех пор, пока на обмотки статора поочередно подается напряжение.

Это упрощенная схема работы Brushless мотора. На самом деле, для усиления крутящего момента и исключения «провалов» его полки, в работе постоянно находятся две пары обмоток. Одна из них притягивает постоянные магниты якоря в моменты, когда они находятся до средней линии полюса катушки, а вторая подталкивает, как только полюс катушки пройден центральной частью постоянного магнита якоря. На первую пару катушек подается напряжение прямой полярности, а на вторую — обратной.

Для определения, на какие пары катушек нужно подать напряжение и какой полярности, в системе установлен датчик положения ротора. Он состоит из трех датчиков Холла, дающих контроллеру сигнал о необходимости формирования напряжения на каждой из пар катушек статора.

На видео наглядно проиллюстрирована работа бесщеточного двигателя:

Плюсы и минусы бесщеточного шуруповерта

Производители пишут, что основная изюминка бесщеточного шуруповерта — не нужно менять щетки, которых нет. Это на самом деле так, но так ли сложно поменять щетки?

За этим «жирным» плюсом притаился довольно коварный минус. Дело в том, что более-менее нагруженный шуруповерт потребует замены щеток на второй, а то и третий год работы. Проводя их замену, бережливый владелец наверняка заглянет и в другие узлы инструмента. Обратит внимание на состояние подшипников, очистит внутренности от пыли, заложит порцию свежей смазки — в общем, проведет полное техобслуживание инструмента. В случае с бесколлекторным инструментом, о необходимости сервисного обслуживания можно просто забыть и вспомнить о нем, когда шуруповерт начнет конкретно барахлить.

Вот по-настоящему значимые преимущества бесщеточного инструмента:

  • Высокий КПД. У бесщеточного двигателя он составляет порядка 90 %, в то время как у коллекторного мотора — на уровне 60 %. Это обусловлено отсутствием потерь на трение и искрообразование, и, как следствие, повышением температуры коллекторного узла якоря мотора.
  • Быстрый выход на номинальную скорость вращения двигателя. В этом опять же заслуга высокого КПД BLDC мотора.
  • При тех же массогабаритных показателях, с вала бесщеточного электродвигателя снимается большая мощность, а это влечет получение большего крутящего момента.
  • Лучшая энергоэффективность. Благодаря отсутствию потерь в коллекторе и щеточном узле и более высокому КПД бесщеточный шуруповерт сделает больше полезной работы на одном заряде аккумулятора. Это важно профессионалам, для которых время — деньги. Эффективность бесщеточного шуруповерта в среднем выше на 25–40 % в сравнении с его коллекторным аналогом.
  • Возможность использования во взрыво- и пожароопасных средах ввиду отсутствия искр на щеточном узле.
  • Грамотная защита от перегрузки. Плата управления электродвигателем просто не позволит нагрузить инструмент сверх меры, а вот коллекторный шуруповерт при должном старании можно перегреть и получить дымок из вентиляционных отверстий.

Но бесщеточным инструментам присущи и некоторые недостатки:

  • Высокая цена. Наличие в конструкции дорогой силовой платы управления BLDC мотором ощутимо увеличивает стоимость шуруповерта.
  • Плохая ремонтопригодность. В бесщеточном шуруповерте плата управления, кнопка включения инструмента и статор электродвигателя обычно идут единым блоком. Стоимость запчасти — от 2/3 до 3/4 стоимости нового инструмента. Если поломка произойдет по истечении гарантийного срока, то ремонтировать такой шуруповерт вряд ли целесообразно. В отличие от коллекторных экземпляров, где можно заменить кнопку или электродвигатель отдельно, и стоить это будет на порядок дешевле.

Перспективы бесщеточных шуруповертов на рынке электроинструмента

Переход на бесщеточные инструменты неизбежен, поскольку они выгодны в первую очередь самим производителям ввиду унификации производственных процессов, уменьшению количества составных частей и улучшения технических характеристик выпускаемых моделей. Конечному пользователю такой переход абсолютно ничем не грозит. Шуруповерты как закручивали винты и саморезы, так и будут, исходя из своих технических возможностей.

Для профессиональной деятельности однозначно стоит смотреть в сторону бесщеточных моделей. Они экономичней, шустрее и надежней. Каждый рубль, вложенный в их покупку, окупится сторицей.

А вот домашнему мастеру стоит взвесить все «за» и «против», реально оценить возможную загруженность инструмента и свою готовность отдать больше денег за современные технологии.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector